中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2018

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2021年9月1-3日 | 上海世博展览馆2&4号馆

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生物陶瓷的应用

2020-11-09

生物陶瓷是指用作特定的生物或生理功能的一类陶瓷材料,即直接用于人体或与人体直接相关的生物、医用、生物化学等的陶瓷材料。作为生物陶瓷材料,需要具备如下条件:生物相容性,力学相容性,与生物组织有优异的亲和性,抗血栓,灭菌性并具有很好的物理、化学稳定性。

生物陶瓷材料可分为生物惰性陶瓷(如Al2O3,ZrO2等)和生物活性陶瓷(如致密羟基磷灰石,生物活性玻璃等)。

一、生物惰性陶瓷

1.氧化铝生物陶瓷

单晶氧化铝C轴方向具有相当高的抗弯强度,耐磨性能好,耐热性好,可以直接与骨固定。已被用作人工骨、牙根、关节、螺栓。并且该螺栓不生锈,也不会溶解出有害离子,与金属螺栓不同,勿需取出体外。由于氧化铝陶瓷植入人体后表面生成极薄的纤维膜,界面无化学反应,多用于全臀复位修复术及股骨和髋骨部连接。通过火焰熔融法制造的单晶氧化铝,强度很高,耐磨性好,可精细加工,制成人工牙根、骨折固定器等。多晶氧化铝,即刚玉,强度大,用于制作人工髋关节,人工骨,人工牙根和关节。单晶氧化铝陶瓷的机械性能更优于多晶氧化铝,适用于负重大、耐磨要求高的部位,但其不足之处在于加工困难。中国陶瓷在实验室研究水准上完全可达到ISO标准,但用于临床仍有一定差距,材料未达到ISO标准。

(国际标准化组织(ISO)对于医用氧化铝植入制品的要求) 单晶氧化铝临床应用
它用作人工关节柄与氧化铝多晶陶瓷相比具有比较高的机械强度,不易折断。它还可以作为损伤骨的固定材料,主要用于制作人工骨螺钉,比用金属材料制成的人工骨螺钉强度高。可以加工成各种齿用的尺寸小、强度大的牙根,由于氧化铝单晶与人体蛋白质有良好的亲合性能,结合力强,因此有利于牙龈粘膜与异齿材料的附着。

2.氧化锆生物陶瓷

氧化锆陶瓷(Zirconia Bioceramics)是以ZrO2为主要成分的生物惰性陶瓷,其显著特征是具有高断裂韧性、高断裂强度和低弹性模量。氧化锆(ZrO2)具有极高的化学稳定性和热稳定性(Tm=2953K),在生理环境中呈现惰性,具有很好的生物相容性。纯氧化锆具有三种同素异型体,在一定条件下可以发生晶型转变(相变)。在承受外力作用时,其 t 相向 m 相转变的过程需吸收较高的能量,使裂纹尖端应力松弛,增加裂纹扩散阻力而增韧,因而具有非常高的断裂韧性。

部分稳定的氧化锆和氧化铝一样,生物相容性良好,在人体内稳定性高,且比氧化铝断裂韧性、耐磨性更高,有利减少植入物尺寸和实现低摩擦、磨损,用以制造牙根、骨、股关节、复合陶瓷人工骨、瓣膜等。

(用于外科植入的氧化铝、氧化锆陶瓷性能比较)
二、生物活性陶瓷
生物医学应用:基于氧化锆陶瓷优良的生物相容性、良好的断裂韧性、高断裂强度和低弹性模量,适合制作需承受高剪切应力的人工关节。氧化锆/氧化锆对磨时,其磨损率是氧化铝/氧化铝对磨的磨损率的5000倍;但形成氧化/UHMWPE摩擦副时却表现出良好的摩擦磨损性能。

生物活性陶瓷包括表面生物活性陶瓷和生物吸收性陶瓷,又叫生物降解陶瓷。生物表面活性陶瓷通常含有羟基,还可做成多孔性,生物组织可长入并同其表面发生牢固的键合;生物吸收性陶瓷的特点是能部分吸收或者全部吸收,在生物体内能诱发新生骨的生长。生物活性陶瓷具有骨传导性,它作为一个支架,成骨在其表面进行;它还可作为多种物质的外壳或填充骨缺损。生物活性陶瓷有生物活性玻璃、羟基磷灰石陶瓷、磷酸三钙陶瓷等几种。

1.生物活性玻璃及玻璃陶瓷(Bioactive Glass & Glass-ceramics)

生物玻璃陶瓷的主要成分是CaO-Na2O-SiO2-P2O5,比普通窗玻璃含有较多钙和磷,能与骨自然牢固地发生化学结合。它具有区别于其他生物材料的独特属性,能在植入部位迅速发生一系列表面反应,最终导致含碳酸盐基磷灰石层的形成。生物玻璃陶瓷的生物相容性好,材料植入体内,无排斥、炎性及组织坏死等反应,能与骨形成骨性结合;与骨结合强度大,界面结合能力好,并且成骨较快。目前此种材料已用于修复耳小骨,对恢复听力具有良好效果。但由于强度低,只能用于人体受力不大的部位。

目前制备生物活性玻璃的方法主要是采用溶胶- 凝胶法制备,采用该方法制备的材料具有特殊的化学组成,纳米团簇结构和微孔,因而比表面积较大,生物活性比其他生物玻璃及微晶玻璃更好。由于溶胶- 凝胶法制备的材料纯度好、均匀性高、生物活性好和比表面积大等特点,具有更好的研究及应用价值,特别是生物活性玻璃多孔材料在用作骨组织工程支架方面具有很好的前景。

生物活性玻璃及玻璃陶瓷最显著的特征是植入人体后,表面状况随时间而动态变化,表面形成生物活性的碳酸羟基磷灰石(HCA)层,为组织提供了键合界面。

A、组成:生物活性玻璃的组成主要为:SiO2、Na2O、CaO、P2O5等。生物活性玻璃陶瓷是在生物活性玻璃的基础上,控制晶化得到的多晶体。与传统钠钙硅体系玻璃相比,具有三大组成特征:SiO2含量低;Na2O、CaO含量高;CaO/P2O5比例高。

B、性质:快速的表面反应;无定形二维结构使强度及断裂韧性低;弹性模量(30-35MPa)低,与皮质骨接近;可切削生物玻璃具有良好的加工性能。

C、制备工艺:生物活性玻璃的制备工艺与传统的玻璃制备工艺基本相同,包括称重、混合、熔合、熔化、均匀化、玻璃形成等。玻璃陶瓷则还需在一定的热处理制度下控制玻璃成核与晶粒生长。

D、临床应用:a) 45S5生物活性玻璃用于中耳小骨置换、颌骨缺损修复、牙周缺损修复、骨嵴维护植入体,不引起细胞损伤、无降解产物、无感染性。b) Ceravital生物活性玻璃陶瓷用于中耳外科手术,是一种低钠、钾的生物活性玻璃陶瓷。c) 磷灰石-硅灰石活性玻璃--A-WGC,用作脊椎假体、胸、额骨修复以及骨缺损修复,已成功应用于数万名患者。d) 可切削生物活性玻璃-MBGC],主要用在颌面、脊椎、牙槽硬组织修复以及 口腔修复,其特点是优良的可加工性及骨结合性。

2.磷酸钙生物活性陶瓷

磷酸钙陶瓷(CPC)是生物活性陶瓷材料中的重要种类,目前研究和应用最多的是羟基磷灰石(HA)和磷酸三钙(TCP)。磷酸钙陶瓷含有CaO和P2O5两种成份,是构成人体硬组织的重要无机物质,植入人体后,其表面同人体组织可通过键的结合,达到完全亲和。其中,HA在组成和结构上与人骨和牙齿非常相似,具有较高的力学性能,在人体生理环境中可溶解性较低;TCP与骨的结合性好,无排异反应,在水溶液中的溶解程度远高于HA,能被体液缓慢降解、吸收,为新骨的生长提供丰富的钙、磷,促进新骨的生长。除了这二者,磷酸钙生物陶瓷还包括可降解、吸收的锌-钙-磷氧化物陶瓷(ZCAP)、硫酸锌-磷酸钙陶瓷(ZSCAP)、磷酸铝钙陶瓷(ALCAP)和铁-钙-磷氧化物陶瓷(FECAP)等。

A、组成和物化性能概述

磷酸钙化合物的分类通常是按照具有的Ca/P原子比(钙磷比)进行,磷酸钙陶瓷是具有不同钙磷比磷酸钙陶瓷的总称。

(磷酸钙按照Ca/P进行分类)
各种磷酸钙化合物均具有一定的溶解性,磷酸氢钙、磷酸三钙和羟基磷灰石的溶度积如下:各种磷酸钙化合物高温下的结构与其钙磷比、温度、加热速度、气氛等因素有关;合成工艺的不同,也将影响其热特性(主要是其热稳定性)。

磷酸氢钙 pK=6.57

磷酸三钙 pK=28.7

羟基磷灰石 pK=57.8

在水中磷酸氢钙的溶解能力最强,磷酸三钙次之,羟基磷灰石最稳定。因此,由磷酸氢钙及磷酸三钙制作的骨修复材料可以逐渐溶解,同时沉淀结晶为羟基磷灰石。

B.羟基磷灰石陶瓷

羟基磷灰石( hydroxyapatite,简称HA或HAP)组成与天然磷灰石矿物相近,是脊椎动物骨和齿的主要无机成分,结构亦非常接近,呈片状微晶状态。它作为骨代替物被用于骨移植。HA 有良好的生物相容性,植入体内不仅安全,无毒,还能传导骨生长。HA能使骨细胞附着在其表面, 随着新骨的生长,这个连接地带逐渐萎缩,并且HA通过晶体外层成为骨的一部分, 新骨可以从HA植入体与原骨结合处沿着植入体表面或内部贯通性孔隙攀附生长。

HA生物活性陶瓷是典型生物活性陶瓷,植入体内后能与组织在界面上形成化学键性结合。HA生物活性陶瓷和骨键接的机制不像生物玻璃那样需要通过在其表面形成富硅层,进而形成中间键接带以实现键合。致密羟基磷灰石陶瓷植入骨内后,由成骨细胞在其表面直接分化形成骨基质,产生一个宽为3~ 5 μm 的无定形电子密度带,胶原纤维束长入此区域和细胞之间,骨盐结晶在这个无定形带中发生。随着矿化成熟,无定形带缩小至0.05~ 0.2μm,羟基磷灰石植入体和骨的键合就是通过这个很窄的键接带实现的。

经HA表面涂层处理的人工关节植入体内后,周围骨组织能很快直接沉积在羟基磷灰石表面,并与羟基磷灰石的钙、磷离子形成化学键,结合紧密,中间无纤维膜。HA 生物陶瓷植入肌肉或韧带等软组织或被一薄层结缔组织紧密包绕,无炎性细胞和微毛细管存在。作穿皮种植时,能在颈部和上皮组织密合,无炎症和感染发生。因此,HA生物活性陶瓷也适用于穿皮器件及软组织修复。

HA陶瓷的制备一般可从分解动物的骨组织和人工合成获得,后者又分湿法和固相反应。最常用的方法是反应共沉淀法,它是将钙质原料和磷酸盐或磷酸,分别配制成合适浓度的液体,按钙磷原子比1.67,在pH>7的环境下,控制适当温度进行反应合成,沉淀物经脱水干燥,高温煅烧得浅绿色合成晶体的团聚体,纯度达99.5% 以上,其化学组成主要为:CaO,P2O5。

单一的HA成形和烧结性能较差,易变形和开裂。加入ZrO2+ Y2O3,ZnO和含镁盐的CPM 复合试剂等,可使具有良好生物相容性和足够机械强度,且无毒。连续热等静压烧结是制备理论密度的高致密HA 的有效方法。这种材料主要用作生物硬组织的修复和替换材料, 如口腔种植,牙槽脊增高,牙周袋填补,额面骨缺损修复,耳小骨替换等。由于机械强度不够高,只限用于以上不承受大载荷部位。由于自然骨优异的强度和韧性,人们想到通过仿生的途径来提高生物陶瓷修复骨修复材料的性能。Landis等人提出的骨微结构的模型已经广为人们所引用,尽管其中尚有一些细节没有实验验证。

在磷酸钙化合物中,研究得最多的是磷灰石,其化学通式为:M10(XO4)6Z2。M --为二价金属离子,XO4--为五价阴离子,Z --为一价阴离子。下面将详细论述羟基磷灰石陶瓷。

C.羟基磷灰石陶瓷的性能应用>

合成的羟基磷灰石的结构与生物骨组织相似,因此合成羟基磷灰石具有与生物体硬组织相同的性能。如Ca:P≈1.67,密度≈3.14,机械强度大于10MPa,对生物无毒,无刺激,生物相溶性好,不被吸收,能诱发新有的生长。

国内外已将羟基磷灰石用牙槽、骨缺损、脑外科手术的修补、填充等,用于制造耳听骨链和整形整容的材料。此外,它还可以制成人工骨核治疗骨结核。

3.磷酸三钙

目前广泛应用的生物降解陶瓷β-磷酸三钙( 简称β-TCP),属三方晶系,钙磷原子比为1.5,是磷酸钙的一种高温相。β-TCP的最大优势就是生物相容性好,植入机体后与骨直接融合,无任何局部炎性反应及全身毒副作用。

钙磷比在决定体内溶解性和吸收趋势上起着重要作用,所以和HA相比TCP更易于在体内溶解,其溶解度约比HA 高10~ 20倍。常用的β-TCP植入体内可逐渐降解,降解速率可因其表面构造,结晶构型,含孔率及植入动物的不同而异,其强度常随降解而减弱。已证实改变孔径和材料纯度能减缓降解速度,提高生物强度。

与其他陶瓷相比,β-TCP陶瓷更类似于人骨和天然牙的性质和结构在生物体内,羟基磷灰石的溶解是无害的,并且依靠从体液中补充钙和磷酸根离子等形成新骨,可在骨骼接合界面产生分解、吸收和析出等反应,实现牢固结合。

β-TCP陶瓷的缺点是机械强度偏低,经不起力的冲击。将β-TCP与其他材料混合,制成双相或多相陶瓷,是提高其力学强度的方法之一。通常认为双相钙磷陶瓷( biphasic calc ium phosphate,BCP)的骨传导效应优于单一的HA或TCP,可以结合HA的强度高和TCP生物降解性能好的优点,而且化学成分与骨相似。Bruder等将骨髓基质细胞( bone marrow stroma cells, BMS)接种于多孔BCP上,修复21mm 长的犬股骨节段性缺损获得成功。傅荣等发现,BCP上培养BMS能更好地表达成骨细胞特性,表明BCP更适用于骨组织工程的基质材料。

随着社会的进步,人类已不再满足简单模仿人体器官的形状,而是追求功能尽善尽美的新型材料。生物陶瓷已成为当今医学领域一个不可缺少的重要部分。目前, 材料科学界已经在这一方面进行了很多的研究。随着现代科学的飞速发展,技术上的改进不断完善,生物陶瓷的制备方法也越来越向着可行性发展。

多种Ca- P陶瓷与有机材料复合作为骨组织工程支架材料在临床试验中,如TCP+ 胶原,纳米晶HA + 胶原, TCP+ 富血小板血浆等。形状记忆合金制备,有自膨胀和球囊扩张式两类。主要用于晚期恶性肿瘤引起的胆道狭理想的生物医用材料应该是对人体无毒性、无致敏性、无刺激性、无遗传毒性和无致癌性等不良反应。因此,了解生物医用材料对人体的生物学反应就显得至关重要。这些反应主要包括组织反应、血液反应及免疫反应。

通过不断的研究开发,生物陶瓷更多的优良性能将被开发并应用。总之生物陶瓷有着很大的研究空间和广阔的发展前景。

来源:材料科学与工程技术